密集钻孔技术在东瑞煤矿切顶卸压的应用

曹泽峰

（山西煤炭运销集团古县东瑞煤业有限公司，山西 临汾 041000）

东瑞煤矿2101 综采工作面位于2#煤层一采区，顺槽可采长度762 m，切眼长度为180 m。工作面西部为三条大巷，西部为2103 回采工作面，北部为井田边界，东部为井田内推断采空区。工作面回采期间2101 辅运顺槽采用切顶卸压沿空留巷无煤柱开采工艺，留巷后作为2103 运输顺槽使用。2101 工作面推进约100 m 时，采用聚能切缝爆破切顶卸压技术。留巷在使用过程中出现一些问题，例如巷道顶板旋转下沉、单体支柱穿底、U 型钢底端向巷道滑动倾斜等现象。经过分析，其主要原因在于切顶高度不足。为此，决定采用密集钻孔技术来进行切顶卸压。

1 密集孔切顶技术原理

在巷道开挖后，巷道围岩应力会重新分布，使得巷道围岩周围出现松动圈。在松动圈内围岩处于两向或单向受力状态，很容易在应力集中条件下发生破坏[1-2]。钻孔与巷道形成的松动圈相类似。随着钻孔周围应力的重新分布，围岩经历了由弹性状态向塑性状态的转化。最终在钻孔周围形成一定范围的破碎区，如图1。由于破碎区的强度降低，使得围岩丧失承载能力。通常情况下，将钻孔周围的破碎区和塑性区称之为卸压区。一个钻孔的卸压区是有限的，但是多个钻孔间距足够小的时候，会使得钻孔的卸压区域相互叠加，形成一个较大范围的卸压区，如图2。

图2 钻孔卸压区叠加示意图

密集钻孔切顶的主要原理：在钻孔足够密集的情况下，由于扰动范围的非线性叠加，在很大程度上增加了卸压的效果。与此同时，在钻孔破碎区域叠加的位置，有很大可能产生一条非定向的裂缝，裂缝可以对煤层顶板的岩层进行切断。

在进行施工时，主要分为三个过程：（1）进行密集钻孔施工，通过大量的钻孔改变围岩应力分布状态，对岩体进行卸压；（2）钻孔周围的塑性区不断扩展，形成一定范围的破碎区；（3）破碎区的范围相互叠加，相互贯通，从而达到对岩层的切断效果。

2 切顶技术参数计算

制定密集钻孔方案时，针对钻孔参数的选择一定要根据理论计算值和现场经验总结做出合理的设计。为取得较好的切顶效果，本节对切顶参数设计展开研究。切顶的技术关键在于四个重要指标[3]：钻孔直径、切顶角度、切顶高度、钻孔间距。钻孔角度一般由既有钻机条件决定，目前东瑞煤矿购置型号为CMS1-1600/30 的煤矿用深孔钻车开展沿空留巷切顶钻孔，配套钻头直径50 mm，满足钻孔打眼要求。

2.1 切顶角度计算

在切顶时，切顶的角度对切顶的效果存在着很大的影响，也会对卸压的效果产生一定的影响。在切顶角度合理时，采空区的顶板垮落将更加合理，应力分布更加均匀，从而更加容易稳定。正常情况下，顶板切断后要依靠自身的重力来克服切缝边缘的摩擦力，从而使顶板切断后垮落。水平方向上的切顶角度变化，可以达到减小挤压摩擦力的目的。但是，当切顶角度过小时，采空区顶板回转下沉时挤压摩擦阻力大于下滑力，顶板回采后难以切落。

综上所述，切顶角度不宜过大，虽然钻孔角度的加大会确保采区顶板的顺利垮落，但是将会导致巷旁支护阻力过大，难以确保留巷的成功。同时，切顶角度不宜过小，过小容易导致采空区顶板垮落困难或垮落不彻底，造成安全隐患。因此，通过理论计算及工程类比设计合理的切顶角度，确保切顶过程经济、安全。

为了使采空区顶板能顺利垮落，需要建立顶板垮落的力学模型[4]。假设切顶的角度为θ，切顶的厚度为H，在切顶后会形成一种铰接梁结构，如图3。

图3 切顶受力分析

此时直接顶范围内岩体仍较易垮落，而基本顶关键岩块A'、B'则会在水平压力的作用下相互咬合形成稳定的砌体梁结构。为保证关键块B'可沿切缝面产生滑落，根据砌体梁理论和围岩结构S-R 稳定原理可得其失稳条件为：

化简可得：

式中：q为基本顶自重及其荷载的作用力集度，kN/m；L为基本顶岩块的侧向跨度，m；h为基本顶的厚度，m；ΔS为岩块B′的下沉量，m；φ为岩块间的摩擦角，（°）；θ为切顶角度，（°）。

根据采高Hc不同，切顶角度θ一般也可以按以下经验数据进行设计：当Hc≤1 m 时，θ=20°；当1 m＜Hc＜3 m 时，θ=15°；当3 m＜Hc≤5 m 时，θ=10°。由于煤层高度0.9 m，采煤高度1.4～1.6 m，因此，确定切顶角度为15°。

2.2 切顶高度计算

密集孔切顶需要一定高度，切顶高度从顺槽顶板平面开始到切缝沿顶板向上发育完全处之间的最大垂直距离，切缝则是由密集孔周围岩石在矿山压力下形成塑性区。确定切顶高度时应考虑采空区顶板回转下沉弯曲变形过程中能否顺利剪断。切顶高度越大，拉应力越大，因此进行切顶设计时，应把切顶高度设计大一些，从而确保足够的顶板压力促使顶板顺利切落。

当设计切顶高度过小时，容易导致工作面顶板冒落不充分，上部顶板悬而不冒，一旦突然冒落将形成巨大冲击力；当设计切顶高度过大时，容易降低钻孔精确度，增加施工难度。因此，应该根据实际地质情况及理论计算，选取合适的切顶高度。

利用切顶后岩石垮落碎胀的特点，使切顶范围内岩层垮落后充满整个采空区，对更上位的岩层起到了较好的支撑作用，其切顶高度为：

根据顶板岩层厚度分布，选取碎胀系数为1.24，计算得出切顶高度为6.7 m。由于采煤方式选择破底施工，顺槽高度2.8～3.0 m，采煤高度1.6 m，采空区顶板距巷道顶板1.4 m。当切顶角度为15°时，对应的钻孔深度为5.59 m。为满足切顶要求，设计钻孔深度为6 m。

2.3 钻孔间距计算

钻孔间距应考虑地应力作用形成的钻孔塑性区范围。当切顶孔周围的切向应力与切顶孔围岩的抗拉强度相等，由此可求出塑性区半径。根据工程地质条件知，2101 工作面埋深为210 m，直接顶顶板岩石的抗拉强度为1.63 MPa，计算出切顶孔孔壁的塑性区范围为243 mm，因此设计密集切顶孔的间距为250 mm。

3 应用效果分析

为了验证密集钻孔卸压的效果，对卸压后的巷道进行了观测。经过一个月的观测，发现巷道的顶底板移近量在40～120 mm 之间，两帮收敛量在80～150 mm 之间。而采用深孔聚能爆破时巷道顶底板移近量在200～400 mm 之间，两帮收敛量在200～700 mm 之间。与此同时，密集钻孔卸压后的巷道顶板裂缝更少，矿山压力显现更小。

4 结语

在煤矿沿空留巷施工过程中，切顶卸压已经成为一种重要手段。切顶卸压的实现有多种方式，选择合适的方式十分关键。东瑞煤矿过去采用了聚能爆破的方式，但在应用过程中发现切顶深度不够，巷道变形严重。为此，采用了密集钻孔技术进行切顶。虽然根据密集钻孔技术卸压的原理选择了关键的参数，但是在实施过程中还需要根据地质条件进行调整。